RU9618U1 - Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах - Google Patents

Abstract

Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах, включающий насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, причем верхняя поверхность нижнего яруса, размещенного на ядре из твердомерзлого грунта, выполнена в виде площадки выпуклой в плане формы, а среднее расстояние от центра фундамента до границ площадки определяется из условияпри этома безразмерный коэффициент S, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки, равенгде r - радиус круга с центром, совпадающим с центром площадки, в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10%, т.е. практически постоянно по радиусу, м;n-количестве треугольников с одной из вершин в центре фундамента, которое можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;F - общая площадь верхней поверхности нижнего яруса, м;m << i - коэффициент влияния местных условий;h - глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м;С = 2 - эмпирический коэффициент, учитывающий зависимость Вот глубины h, на которой формируется мерзлое ядро;f- площадь i-го треугольника, м;В- медиана i-го треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента, м;К - безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадокотличающийся тем, что верхняя поверхность нижнего яруса от центра к периферии разделена на две зоны - центральную и периферийную, при этом центральной зоной является верхняя поверхность выпуклой в плане площадки со средним радиусом В, а периферийная зо

Description

ПЕРЕХОД ДОРОГИ ЧЕРЕЗ ВОДОТОК НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении искусственных сооружений в районах с распространением вечномерзлых грунтов.

Известен переход дороги через водоток на вечной мерзлоте, содержащий подходную часть насыпи и искусственное сооружение, при этом для сохранения мерзлоты и защиты ее от деформаций у каждой опоры искусственного сооружения установлены охлаждающие установки системы С.И. Гапеева С1.

Недостатком указанного перехода через водоток является то, что при сильном снегопереносе, имеющем место на значительной части районов распространения вечномерзлых грунтов, теплообменники охлаждающих установок заносятся снегом, и установки выключаются из работы. Кроме того, установки в процессе эксплуатации моста часто выходят из строя по различным другим причинам: происходят механические повреждения, разгерметизация и др. Поэтому фундаменты опор приходится сооружать с учетом возможности деградации мерзлоты. При этом фундаменты опор становятся громоздкими, а их сооружение в условиях СевеМКИ EOID 1/00 E02D 17/18

pa весьма трудоемко.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах, включающий насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, нижний из которых размещен на ядре из твердомерзлого грунта и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, при этом верхняя поверхность нижнего яруса выполнена в виде площадки выпуклой в плане формы, причем среднее расстояние от центра фундамента до границ площадки определяется из условия

ВСР cmKh I ,

a безразмерный коэффициент S, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки равен

г S - 0.3 + (Вер - 10) 0.008.

п Bi fi

F

при этом

Bi max

1.5 ;

Bi ffiin

площадки в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10 %, т.е. практически постоянна по радиусу, м;

п - количество треугольников с одной из вершин в центре фундамента, на которое можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;

F - общая площадь верхней поверхности нижнего яруса,

m 1 - коэффициент влияния местных условий:

h - глубина , считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м;

- эмпирический коэффициент, учитывающий зависимость ВСР от глубины h, на которой формируется мерзлое ядро;

fi - площадь i-ro треугольника,

BI - медиана i-ro треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента, м;

k - безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадок

Недостаток этого перехода заключается в повышенной материалоемкости, В условиях Заполярья часто имеется дефицит в хороших грунтах, требуемых для отсыпки насыпи, а привозные грунты обходятся достаточно дорого. Поэтому необходимо совершенствование конструкций уширенных площадок с целью снижения их материалоемкости при сохранении эффективности.

-- 1 С2. h

ток заключается в сокращении материалоемкости уширенной площадки в зоне устоя при сохранении ее эффективности и снижении трудоем шсти возведения.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в переходе через водоток на вечномерзлых грунтах, в{ лючающем насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, причем верхняя поверхность нияснего яруса размещенного на ядре из твердомерзлого грунта выполнена в виде площадки выпуклой в плане формы, а среднее расе тояние от центра фундамента до границ площадки определяется из условия

ВСР cmkn Е ,

при этом

В1 max 1.5;

Bi min

а безразмерный коэффициент S. показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки равен

г S - + 0. 3 + (ВСР - 10) 0.008;

п BIfi

F

где г - радиус круга с центром, совпадающим с центром плопщки, в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10%, т.е. практически постоянна по радиусу, м;

п - количество треугольников с одной из вершин в центре фундамента, на которое можно условие разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;

F - общая площадь верхней поверхности нижнего яруса,

ш 1- коэффициент влияния местных условий;

h - глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м;

- эмпирический коэффициент, учитывающий зависимость ВСР от глубины h, на которой формируется мерзлое ядро; fj - площадь i-ro треугольника, Bj - медиана i-ro треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента, м;

k - безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадок

k « / h

верхняя поверхность нижнего яруса от центра к периферии разделена на две зоны - центральную и периферийную, при этом центральной зоной является верхняя поверхность выпуклой в плане насыпной площадки со средним радиусом , а перифе/ 55

/ - 1 ,

рийная зона имеет ширину и включает откосные части отсыпанной площадки и прилегающую к подошве указанных откосных частей естественную поверхность грунта, причем вся периферийная зона покрыта слоем теплоизоляции, при этом размеры зон и мощность теплоизоляции подбираются из условий:

ВСР.Ц Вср/2;

с р, п с р с р, ц

С 2,3;

tp р Ц аи

где tpp - температура грунта на глубине нулевых амплитуд в установившемся режиме на бесконечной в плане площадке при наличии на всей поверхности теплоизоляции выбранной величины; зам температура перехода грунта в мерзлое состояние.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на

фиг. 1 - представлен план перехода дороги через водоток для случая, когда искусственным сооружением является однопролетный мост;

на фиг.2 - план перехода через водоток для случая, когда искусственным сооружением является водопропускная труба;

на фиг. 3 и 4 - различные варианты поперечного сечения I-I на фиг. 1;

на фиг. 5 - поперечное сечение П-П на фиг. 2;

на фиг. 6 - схема к определению Вер для площадки нижнего яруса;

Tax под площадкой нижнего яруса;

на фиг. 8 - зависимости температуры грунта на глубине нулевых амплитуд от величины снегозаносов при отсутствии и наличии теплоизоляции на поверхности.

Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах содержит подходную часть 1 насыпи и искусе твенное сооружение. В случае, когда искусственным сооружением является, например, однопролетный мост (фиг.1), переход включает опору 2 моста (на фиг. 1 обозначены также продольная 3 и поперечная 4 оси моста). В случае, когда искусственным сооружением является водопропускная труба (фиг.2), переход включает водопропускную трубу 5.

Подходная часть насыпи 1 содержит уширение в плане, которое состоит по высоте из двух ярусов - нижнего 6 высотой hi, уложенного на естественное основание 7 и верхнего 8 высотой hg. Верхний ярус состоит из главной части 9 насыпи, которая сверху ограничена основной площадкой с щириной, обеспечивающей устройство дороги или железнодорожных путей, и боковыми откосами 10, имеющими уклон прилегающих к подходной части насыпи участков и дополнительных отсыпок 11, примыкающих с двух сторон к главной части насыпи и имеющих односторонний откос (1-5-4) - (1-5-7), верхняя бровка которого совмещена с боковым откосом главной части насыпи и расположена на расстоянии по высоте от уровня основной площадки на величину

ha - (О - 0.5) hg. Нижний ярус в плане состоит из двух зон: центральной 12

со средним радиусом Вер,ц и периферийной 13 со средней шириной . Центральная зона представляет собой верхнюю поверхность уширенной отсыпанной площадки высотой 0..0 м. Периферийная зона определена границами 14 и 15 и включает откосы уширенной площадки, нижнего яруса и зону естественной поверхности грунта. При этом поверхность центральной зоны оголена, а периферийной - покрыта теплоизоляцией. В плане как центральная, так и общая зона нижнего яруса имеет произвольную выпуклую форму (фиг.6). На фиг. 8 кривыми 16,17,18 показаны соответственно зависимости изменения температуры грунта на глубине нулевых амплитуд соответственно для оголенной поверхности, для поверхности, покрытой пенопластом толщиной 10 и 20 см. Основные характеристики нижнего яруса следующие:

- рсстояние ВСР от центра фундамента до границ нижнего яруса определено из условия

ВСР - 2.3 mkh Е ; где (1)

Bi max - « 1.5;

Bi min

- безразмерный коэффициент S, показывающий предельно возможную величину смещения фундмента относительно центра площадки, равен:

п Bi fi

1-1 F

S г/Вер 0. 3 + ( - 10) 0.008; °ср,ц °ср2; Вцр п Вцр -

tpp tgaXгде г - радиус круга с центром, совпадающим с центром площадки, в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10%, т. е. практически постоянна по радиусу (м);

п - капичество треугольников с одной из вершин в центре фундак ента, на которое можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса (см.фиг.6);

F - общая площадь верхней поверхности нижнего яруса (м):

т«1 - коэффициент влияния местных условий, принимаемый меньше 1 при теплофизическом обосновании;

h - глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии (м);

fi - площадь i-ro треугольника (м);

BI - медиана i-ro треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента (м);

k - безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадок k - I/ h

/ Т-

внсимость ВСР от глубины h, на которой формируется мерзлое ядро;

trp - температура грунта на глубине нулевых амплитуд в установившемся режиме на бесконечной в плане площадке при наличии на всей поверхности теплоизоляции выбранной величины (подбирается решением серии одномерных теплофизических расче тов для обеспечения указанного выше условия t,,p

tgan - температура перехода грунта в мерзлое состоя ние.

Особенности работы предлагаемого перехода дороги через водоток на вечной мерзлоте следующие. Область рационального использования этого перехода - районы с сильным снегоперено сом (200 и более), о частности, север Западной Сибири. В результате сильных ветров, которые систематически сдувают снег с возвышенных поверхностей, верхняя поверхность уширения оголена от снега, что способствует интенсивному поступлению холода в грунт. И хотя в летний период указанная поверхность также оголена от растительного покрова, суммарный за год ба ланс отрицателен, так как отрицательна среднегодовая температура воздуха.

У откосов, наоборот, скапливается большое количество снега, которое способствует растеплению грунтов оснований. Кроме того, в зоне, прилегающей к откосам, в процессе строительства нарушается растительный покров, что существенно усугубляет положение. Устройство теплоизоляции в зоне откосов и прилегающих к подошве откосов зон выправляет положение. В связи с этим формируется температурное поле в расчетный неблагоприятный момент года (конец теплого периода года), позволяющее осуществлять проектирование фундаментов по принципу 1, т.е. с учетом сохранения мерзлоты, (фиг.7).

Эффективность применения теплоизоляции на поверхности при сильных снегозаносах объясняется снижением соотношения летнего и зимнего термических сопротивлений. В связи с этим хотя зимой приток холода в грунт снижается, чем при наличии только снега, но летом снижение притока тепла происходит еще большее, в результате баланс смещается в сторону холода. На фиг.8 представлена зависимость изменения температуры грунта на глубине нулевых амплитуд в зависимости от толщины снежного покрова. Мы видим, что при наличии теплоизоляции отрицательная температура грунта сохраняется при наличии теплоизоляции для гораздо большего снежного покрова.

Таким образом, вместо отсыпанной площадки может быть использована теплоизоляция. Как уже отмечалось, хороший грунт для насыпи в условиях Заполярья является дефицитом. Пенопласт легок и легко транспортируем, объемы его несопоставимо меньше, чем грунта. Однако при замене грунтовой площадки теплоизоляцией возникает техническое противоречие. Во-первых, теплоизоляция резко снижает скорости мерзлотных процессов: установление режима затягивается на много лет, в течение которых сохраняются талики, растепленные зоны, не позволяющие нормально вводить в эксплуатацию мост. Во-вторых, температура грунта при наличии теплоизоляции и снежних заносов выше на At (см. фиг. 8).

Решение технического противоречия заключается в совмещении уширенной площадки в центральной зоне и теплоизоляции на периферийной зоне. При этом суммарный эффект выше суммы эФфектов от применения этих мер в отдельности. Это наглядно показано в таблице, где отражены результаты расчета двух вариантов. Сущность этих расчетов следующая. Рассмотрена площадка нижнего яруса со средним радиусом (Вер) равным 30 м. Общая площадь этой площадки равна 2826 м. Для каждого из двух вариантов выполнены численные расчеты на ЭВМ, которые показали следующее. При оголенной поверхности минимальная температура в намораживаемом ядре (общий вид температурного поля см. на фиг.7) равна -2.85 °С. При покрытии всей поверхности площадки теплоизоляцией температура в ядре равна -1.94 °С. В случае, когда центральная зона нижнего яруса имеет средний радиус 15 м. а ширина кольца периферийной зоны также равна 15 м, минимальная температура в ядре равна -2.52 °С. Если же температуру рассчитать как средневзвешенную (при этом следует подчеркнуть, что при ВСР,Ц - 1/2 ВСР площадь центральной зоны составляет всего 1/4 часть всей площади нижнего яруса), то она равна -2.17 °С. Т.е. суммарный эффект (-2.52 °С) получается выше суммы эффектов (-2.17 °С). Аналогичная картина получается и для второго варианта (см. строчку 2 таблицы). Отношение полученной температуры к температуре, когда вся поверхность нижнего яруса занята площадкой равно 0.88 и 0.84 для первого и второго варианта. Аналогичные результаты были получены и для других случаев. Поэтому вводится поправочный коэффициент 1.15 для ВСР (см.ф. (1)).

Увеличение суммарного эффекта по сравнению с суммой эффектов было выявлено в результате исследования теплообмена в смежных зонах с различными скоростями мерзлотных процессов; в результате опережения по скорости промораживания в центральной периферийную зону путем подсекания приходит дополнительное количество холода.

Результаты расчетов, приведенные в таблице, показывают, что даже при площади центральной зоны, равной четверти полной площади эффект предлагаемого технического решения не выходит за границы предлагаемой формулы. Меньшие размеры центральной зоны практически неосуществимы по конструктивным соображениям - трудности размещения верхнего яруса.

Для выполнения приведенных в формуле зависимостей темпе ратура грунта, формируемая под пенопластом, должна быть ниже температуры замерзания грунта (практически ниже минус 0.5 °С).

Эффективность применения данного решения определяется снижением материалоемкости и трудоемкости строительства.

Авторы: - Пассек

Патентообладатель:

Генеральный директор

. А. Цуканов

Вяч. В. Пассек

. М. Поз

ОАО ЦНИИС .;: .. JI. П. Сычев

03

яо

со Е-н

Claims (1)

1. Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах, включающий насыпь с откосными частями, выполненными в виде двух ярусов, и искусственное сооружение, фундамент которого расположен в пределах насыпи, причем верхняя поверхность нижнего яруса, размещенного на ядре из твердомерзлого грунта, выполнена в виде площадки выпуклой в плане формы, а среднее расстояние от центра фундамента до границ площадки определяется из условия
   

   

   
   при этом
   

   

   
   а безразмерный коэффициент S, показывающий предельно возможную величину смещения фундамента относительно центра площадки, равен
   

   

   
   где r - радиус круга с центром, совпадающим с центром площадки, в пределах которого средняя температура грунта по глубине изменяется не более 10%, т.е. практически постоянно по радиусу, м;
   n-количестве треугольников с одной из вершин в центре фундамента, которое можно условно разбить верхнюю поверхность нижнего яруса;
   F - общая площадь верхней поверхности нижнего яруса, м²;
   m << i - коэффициент влияния местных условий;
   h - глубина, считая от среднего уровня, до которой требуется нахождение грунтов в твердомерзлом состоянии, м;
   С = 2 - эмпирический коэффициент, учитывающий зависимость В_ср от глубины h, на которой формируется мерзлое ядро;
   f_i - площадь i-го треугольника, м²;
   В_i - медиана i-го треугольника, разделяющая пополам сторону, не примыкающую к центру фундамента, м;
   К - безразмерный коэффициент, корректирующий массивность площадок
   

   

   
   отличающийся тем, что верхняя поверхность нижнего яруса от центра к периферии разделена на две зоны - центральную и периферийную, при этом центральной зоной является верхняя поверхность выпуклой в плане площадки со средним радиусом В_ср.ц, а периферийная зона имеет ширину В_ср.п и включает откосные части отсыпанной площадки и прилегающую к подошве указанных откосных частей естественную поверхность грунта, причем вся периферийная зона покрыта теплоизоляцией, при этом размеры зон и мощность теплоизоляции подбираются из условий
   1) В_ср.ц > В_ср/2; В_ср.п = В_ср - В_ср.ц;
   2) С = 2,3;
   3) t_гр < t_зам,
   где t_гр - температура грунта на глубине нулевых амплитуд в установившемся режиме на бесконечной в плане площадке при наличии на всей поверхности теплоизоляции выбранной величины;
   t_зам - температура перехода грунта в мерзлое состояние.